Podstawy fizyki subatomowej

Transkrypt

1 Podstawy fizyki subatomowej Zenon Janas Zakład Fizyki Jądrowej IFD UW ul. Pasteura 5 p..81 tel janas@fuw.edu.pl

2 Zasady zaliczenia Obecność na wykładach i ćwiczeniach rachunkowych jest obowiązkowa. Cztery lub więcej nieusprawiedliwione nieobecności na ćwiczeniach lub wykładach powodują niezaliczenie przedmiotu. Przygotowanie do ćwiczeń rachunkowych będzie sprawdzane poprzez kartkówki. W ten sposób można zdobyć 6 punktów. Aktywność na ćwiczeniach będzie oceniana przez asystentów w skali od 0 do 4 punktów. Odbędą się dwa kolokwia z zadań rachunkowych. Z kolokwiów można zdobyć maksymalnie punktów. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest zgromadzenie przynajmniej 30 punktów za ocenę z ćwiczeń i kolokwiów. Osoby, które nie zaliczyły ćwiczeń mogą przystąpić do kolokwium poprawkowego. W ocenie końcowej zostanie uwzględniona punktacja ze wszystkich kolokwiów.

3 Fizyka subatomowa Fizyka subatomowa zajmuje się badaniem własności i oddziaływań obiektów o rozmiarach mniejszych niż rozmiary atomów. Działy fizyki subatomowej: fizyka cząstek elementarnych fizyka jąder atomowych Większość zjawiska fizycznych w skali subatomowej może być opisywane jedynie w języku mechaniki kwantowej i fizyki relatywistycznej.

4 Plan wykładu Fizyka cząstek elementarnych Podstawowe składniki materii i oddziaływania fundamentalne Model Standardowy Symetrie i zasady zachowania Produkcja i rozpady cząstek elementarnych Metody akceleracji i detekcji cząstek Fizyka jąder atomowych Podstawowe własności jąder atomowych Model kroplowy jądra atomowego Ścieżka trwałości i parabole mas Prawo rozpadu promieniotwórczego, łańcuchy rozpadów Przemiany jąder atomowych: α, β, γ, rozszczepienie Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Model powłokowy jądra atomowego

5 Podręczniki D.H. Perkins, "Wstęp do fizyki wysokich energii", PWN, 004 K. Krane, Introductory nuclear physics, John Wiley & Sons, 1988 A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN 1979 T. Mayer-Kuckuk, Fizyka jądrowa, PWN 1987 Zbiory zadań J. Araminowicz, Zbiór zadań z fizyki jądrowej, PWN 1980 T. Matulewicz, E. Skrzypczak, Fizyka subatomowa w zadaniach, Warszawa 003 T. Matulewicz, E. Skrzypczak, Kinematyka relatywistyczna w zadaniach, Warszawa 005 Strony www The Review of Particle Physics:

6 Pomiar stosunku e/m dla elektronu Joseph J. Thomson r. Badanie odchylenia promieni katodowych w polu elektrycznym i magnetycznym J.J. Thomson ( ) Nagroda Nobla 1906 r. e/m e C/kg

7 Odkrycie promieniotwórczości naturalnej Henri Becquerel 1896 r. zaczernienie kliszy fotograficznej wywołane przez promieniowanie soli uranu H. Becquerel ( ) nagroda Nobla 1903 r. ilustracja wpływu pola magnetycznego na ruch cząstek emitowanych w rozpadach promieniotwórczych M. Skłodowska-Curie P. Curie Nagroda Nobla 1903 r.

8 Narodziny mechaniki kwantowej 1900 r. wzór Plancka opisujący promieniowanie ciała doskonale czarnego Promieniowanie może być emitowane i absorbowane tylko w określonych porcjach - kwantach M. Planck ( ) Nagroda Nobla 1918 r. Stała Plancka h J s

9 Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego A. Einstein 1905 r. Energia promieniowania pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) energii równych hν E k h ν Φ A. Einstein ( ) Nagroda Nobla 191 r.

10 Odkrycie jądra atomowego Ernest Rutherford 1911 r. Badanie rozpraszania cząstek alfa na folii ze złota. folia Au obserwacja scyntylacji źródło cząstek alfa E. Rutherford ( ) Nagroda Nobla 1908 r. za badania promienitwórczości Atom zwiera w sobie dodatnio naładowane centrum (jądro), w którym skupia się prawie cała jego masa.

11 Model atomu wodoru Niels Bohr r. n 3 n n 1 Postulaty Bohra moment pędu elektronu na orbicie stacjonarnej jest skwantowany m vr n h π przejściu elektronu z orbity wyższej na niższą towarzyszy emisja kwantu promieniowania o częstotliwości N. Bohr ( ) Nagroda Nobla 19 r. hν E E 1

12 Fale materii L. de Broglie 194 r. z cząstką o pędzie p stowarzyszona jest fala o długości Przykład 1 Przykład λ h p Ciało o masie 1 kg, poruszające się z prędkością 1 m/s λ h m s v 1kg 1m/ s 34 J elektron poruszający się z prędkością 0.1c m L. de Broglie ( ) Nagroda Nobla 199 r. λ h m s 31 7 v kg m/ s 34 J m

13 Szczególna teoria względności A. Einstein r. równoważność masy i energii E mc m c 0 ( v/ ) 1 c dylatacja czasu t t 0 ( v/ ) 1 c skrócenie długości x x ( v ) 0 / 1 c

14 Współczesne sformułowanie mechaniki kwantowej E. Schrodinger ( ) Nagroda Nobla 1933 r. W. Heisenberg ( ) Nagroda Nobla 193 r. P. Dirac ( ) Nagroda Nobla 1933 r.

15 Postulaty mechaniki kwantowej prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w objętości dv opisywane jest przez wyrażenie: dv t r ) Ψ( r, postać funkcji falowej określa równanie Schrödingera stan układu w dowolnej chwili można opisać funkcją falową ), ( t r r Ψ t t x i t x t x V x m Ψ Ψ + ), ( ), ( ), ( h h każdej fizycznej obserwabli odpowiada operator.  A w wyniku pomiaru obserwabli A otrzymujemy wartości a, które są wartościami własnymi operatora  ), ( ), ( ˆ t r a t r A r r Ψ Ψ

16 Zasada nieoznaczoności Heisenberga Zasada nieoznaczoności mówi, że nie można jednocześnie z dowolną dokładnością określić pewnych par wielkości fizycznych np. położenia i pędu, energii i czasu: gdzie x p E x t 1 h 1 h h h π 34 J s MeV s

17 Dyfrakcja fali na pojedynczej szczelinie x x x d θ sin θ p p x p λ h -8 x I ( θ ) d d sin πd sinθ λ πd sinθ λ I( θ ) 0 dla πd sinθ π λ πd sin λ θ π x λ p x λ x p h x π π h x p x π h

18 Odkrycie promieniowania kosmicznego Victor F. Hess 191 r. Promieniowanie kosmiczne wysokoenergetyczne cząstki docierające do Ziemi z kosmosu, 90% - protony, 9% - cząstki alfa, 1% - cięższe jądra V. F. Hess ( ) Nagroda Nobla 1936 r. LHC 7 TeV

19 Odkrycie pozytonu (antymaterii) Carl D. Anderson 193 r. 6 mm Pb C. D. Anderson ( ) Nagroda Nobla 1936 r. Fotografia śladu pozytonu w komorze mgłowej. Zakrzywienie toru jest spowodowane obecnością pola magnetycznego.

20 Odkrycie neutronu James Chadwick r. J. Chadwick ( ) nagroda Nobla 1935 r. Obserwacja protonów wybijanych z parafiny przez ciężkie, nienaładowane cząstki (neutrony) produkowane w reakcji cząstek alfa z jądrami berylu.

21 Pierwsza obserwacja neutrin 1930 r. W. Pauli hipoteza istnienia neutrin 1956 r. - C. Cowan, F. Reines Obserwacja neutrin reaktorowych w reakcji ν e + p n + e + C. Cowan ( ) Nagroda Nobla 1995 r. 400 litrów scyntylatora 110 fotopowielaczy F. Reines ( ) Nagroda Nobla 1995 r.

22 Model kwarkowy 1964 r. - M. Gell-Mann G. Zweig u u d hadrony d Murrey Gell-Mann (199- ) u Nagroda Nobla 1969 r. mezony Ostatni kwark (t) znaleziono w 1995 r. George Zweig (1937- )

23 Obserwacja bozonów W ± i Z r. C. Rubbia S. van der Meer C. Rubbia (1934-) nagroda Nobla 1984 Obserwacja rozpadu bozonu Z 0 produkowanego w zderzeniach p + p Z 0 e + + e S. van der Meer (195-) nagroda Nobla 1984

24 Obserwacja bozonu Higgsa 01 r. eksperymenty CMS i ATLAS na LHC w CERN obserwacja rozpadu 15.5 GeV/c H 0 γ + γ

25 Model Standardowy Model Standardowy opisuje silne, słabe i elektromagnetyczne oddziaływania i własności cząstek subatomowych. cząstki elementarne MS: leptony, kwarki, bozony pośredniczące oddziaływania: elektromagnetyczne, słabe, silne Formalizmy: teoria oddziaływań elektrosłabych chromodynamika kwantowa (QCD)

26 Cząstki elementarne Modelu Standardowego leptony e µ τ γ bozony pośredniczące ν e ν µ ντ W Z kwarki g u c t bozon Higgsa d s b H 0

27 Oddziaływania fundamentalne Rodzaj oddziaływania Źródło Względne natężenie Zasięg Grawitacyjne masa Słabe Elektromagnetyczne Silne ładunek słaby m ładunek elektryczny 10 - ładunek kolorowy m

28 Uwagi w układach subatomowych można zaniedbać wpływ oddziaływania grawitacyjnego. oddziaływanie elektromagnetyczne i grawitacyjne mają nieskończony zasięg. oddziaływanie grawitacyjne jest zawsze przyciągające. oddziaływanie elektromagnetyczne może być przyciągające i odpychające. Prowadzi to do ekranowania ładunków. oddziaływanie silne jest przyciągające oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za przemiany jednych cząstek w inne.

29 Formy organizacji materii proton neutron u u r m u d d d jądro atomowe: Z - protonów, N - neutronów 38 U Z 9 N146 r m 7 fm

30 atomy atom węgla 6 protonów w jądrze 6 elektronów r m 0.7 A związki chemiczne H 0 r m

31 kryształy NaCl m cząsteczki DNA nanostruktury r m m

32 Obiekty astronomiczne planety Ziemia r m gwiazdy Słońce r m galaktyki galaktyka M101 r m

33 Oddziaływania i pola w fizyce subatomowej w fizyce klasycznej oddziaływanie elektrostatyczne opisuje się przy pomocy pola wytworzonego przez jedną cząstkę oddziałującą na drugą: F r Q1 Q x F k 1 Q x x Q 1 w kwantowej teorii pola E-M oddziaływanie między ładunkami wiąże się z wymianą wirtualnych fotonów o pędzie p: p F r Q 1 Q

34 c x t i może istnieć w czasie: Absorpcja lub emisja fotonu o pędzie p wywołuje działanie siły: Foton wirtualny o pędzie p może przebyć odległość x określoną przez zasadę nieoznaczoności: h/ x p W kwantowych teoriach pola oddziaływanie cząstek opisujemy poprzez wymianę wirtualnych kwantów (bozonów pośredniczących) związanych z danym oddziaływaniem. 1 / / x x c x c x t p F h h p

35 Zasięg oddziaływania a masa bozonu pośredniczącego zasada nieoznaczoności narzuca ograniczenie: E t h/ przyjmując E mc x c t otrzymujemy E x t hc mc x h c 197 mc mc MeV fm im cięższy bozon, tym krótszy zasięg oddziaływania!

36 Przykład Oddziaływanie słabe ma zasięg rzędu m. Oszacować masę bozonu pośredniczącego będącego nośnikiem tego oddziaływania. x hc 197 MeV fm mc mc mc 197 x MeV fm 197 MeV m m 100 GeV